Model czarnej skrzynki konwertera mocy

Model czarnej skrzynki przekształtnika, zwany także modelem behawioralnym, to metoda identyfikacji systemu reprezentująca charakterystyki przekształtnika, który jest uważany za czarną skrzynkę. Istnieją dwa rodzaje modelu czarnej skrzynki przekształtnika - gdy model obejmuje obciążenie, nazywa się to modelem zakończonym, w przeciwnym razie modelem niezakończonym. Typ modelu czarnej skrzynki przekształtnika jest wybierany na podstawie celu modelowania. Ten czarnoskrzynkowy model przekształtnika mógłby być narzędziem do projektowania filtrów układu zintegrowanego z przekształtnikami.

Aby pomyślnie zaimplementować model czarnej skrzynki przekształtnika, przyjmuje się a priori obwód zastępczy przekształtnika, przy założeniu, że ten obwód zastępczy pozostaje stały w różnych warunkach pracy. Równoważny obwód modelu czarnej skrzynki jest budowany poprzez pomiar bodźca/odpowiedzi przetwornika mocy.

W różnych okolicznościach można zastosować różne metody modelowania przekształtnika. Model białej skrzynki konwerterów mocy jest odpowiedni, gdy znane są wszystkie wewnętrzne komponenty, co może być dość trudne ze względu na złożony charakter konwertera mocy. Model szarej skrzynki łączy w sobie niektóre cechy zarówno modelu czarnej skrzynki, jak i modelu białej skrzynki, gdy znane są części komponentów lub badany jest związek między elementami fizycznymi a równoważnym obwodem.

Założenie

Ponieważ przekształtnik mocy składa się z przełączników urządzeń półprzewodnikowych mocy , jest to układ nieliniowy i zmienny w czasie . Jednym z założeń modelu czarnej skrzynki przekształtnika mocy jest to, że system jest uważany za system liniowy , gdy filtr jest odpowiednio zaprojektowany, aby uniknąć nasycenia i efektów nieliniowych. Innym silnym założeniem związanym z procedurą modelowania jest to, że model obwodu zastępczego jest niezmienny w różnych warunkach pracy. Ponieważ w procedurach modelowania elementy obwodu są wyznaczane w różnych warunkach pracy.

Równoważny obwód

Wyrazem modelu czarnoskrzynkowego przekształtnika jest przyjęty model obwodu zastępczego (w dziedzinie częstotliwości ), który można łatwo zintegrować z obwodem układu w celu ułatwienia procesu projektowania filtrów, projektowania układów sterowania i szerokości impulsów projekt modulacji . Ogólnie obwód równoważny zawiera głównie dwie części: elementy aktywne, takie jak źródła napięcia/prądu, oraz elementy pasywne, takie jak impedancja. Proces modelowania czarnej skrzynki jest w rzeczywistości podejściem do określenia tego równoważnego obwodu dla konwertera.

Sześć równoważnych typów obwodów modelu czarnej skrzynki przekształtnika mocy

Składniki aktywne

Elementami aktywnymi w obwodzie zastępczym są źródła napięcia/prądu. Zwykle są to co najmniej dwa źródła, które mogą być różnymi opcjami w zależności od podejścia do analizy, na przykład dwa źródła napięciowe, dwa źródła prądowe oraz jedno źródło napięciowe i jedno źródło prądowe.

Elementy pasywne

Elementy pasywne zawierające rezystory , kondensatory i cewki indukcyjne można wyrazić jako kombinację kilku impedancji lub admitancji . Inną metodą wyrażenia jest traktowanie elementów pasywnych przekształtnika jako sieci dwuportowej i użycie macierzy Y lub macierzy Z do opisania charakterystyk elementów pasywnych.

Metoda modelowania

Do zdefiniowania zastępczego obwodu można zastosować różne metody modelowania. Zależy to od wybranego obwodu zastępczego i opcjonalnych technik pomiarowych. Jednak wiele metod modelowania wymaga co najmniej jednego lub więcej wspomnianych powyżej założeń, aby uznać systemy za liniowe systemy niezmienne w czasie lub okresowo przełączane systemy liniowe.

Jeden przykład metody modelowania

Metoda ta opiera się na dwóch założeniach wymienionych w sekcji Założenie, więc system jest traktowany jako liniowy system niezmienny w czasie. Na podstawie tych założeń obwód zastępczy można wyprowadzić z kilku równań dla różnych warunków pracy. Zdefiniowano zastępczy model obwodu zawierający trzy impedancje i dwa źródła prądowe, w którym należy wyznaczyć pięć nieznanych parametrów. Trzy zestawy różnych warunków pracy są tworzone przez zmianę impedancji zewnętrznej, a odpowiednie prądy i napięcia na zaciskach przetwornicy mocy są mierzone lub symulowane jako znane parametry. W każdym stanie można było wyprowadzić dwa równania zawierające pięć nieznanych zmiennych zgodnie z prawami obwodu Kirchhoffa i analizą węzłową . W sumie do rozwiązania tych pięciu niewiadomych można użyć sześciu równań iw ten sposób można określić równoważny obwód.

Inne metody wyznaczania elementów pasywnych

Istnieje wiele metod określania elementów pasywnych. Konwencjonalna metoda polega na wyłączeniu przekształtnika mocy i zmierzeniu impedancji za pomocą analizatora impedancji lub zmierzeniu parametrów rozpraszania za pomocą wektorowego analizatora sieci , a następnie obliczeniu impedancji. Te konwencjonalne metody zakładają, że impedancje przekształtnika są takie same w stanie pracy i stanie wyłączenia.

Badanych jest wiele najnowocześniejszych metod pomiaru impedancji, gdy przekształtnik mocy jest w stanie roboczym. Jedną z metod jest umieszczenie w systemie dwóch cęgowych sond prądowych, z których jedna nazywana jest sondą odbiorczą, a druga sondą iniekcyjną. Wyjścia z dwóch sond są podłączone do wektorowego analizatora sieci, impedancja przetwornicy jest mierzona po kilku procedurach kalibracyjnych w CM i DM . Ta metoda jest ograniczona delikatną procedurą kalibracji.

Inną najnowocześniejszą metodą jest wykorzystanie transformatora i analizatora impedancji w dwóch różnych konfiguracjach w celu oddzielnego pomiaru impedancji CM i DM. Zakres pomiarowy tej metody jest ograniczony charakterystyką transformatora.

Zobacz też

^ Banerjee, Sounitro (2001). Zjawiska nieliniowe w energoelektronice: atraktory, bifurkacje, chaos i sterowanie nieliniowe . John Wiley & Synowie. P. 472. ISBN 978-0-780-35383-1 .
^ Tarateeraseth, V.; Bo Hu; Kye Yak See; Canavero, FG (styczeń 2010). „Dokładna ekstrakcja impedancji źródła szumu zasilacza SMPS w warunkach roboczych” (PDF) . Transakcje IEEE dotyczące energoelektroniki . 25 (1): 111–117. doi : 10.1109/TPEL.2009.2024675 . S2CID 26273089 .
^ Mazzola, Enrico; Grassi, Flawia; Amaducci, Alessandro (2019). „Nowa procedura pomiarowa impedancji modalnych zasilaczy impulsowych”. Transakcje IEEE dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej . 62 (4): 1349-1357. doi : 10.1109/TEMC.2019.2941449 . S2CID 208829058 .

[Banerjee--1] Banerjee, Sounitro (2001). Zjawiska nieliniowe w energoelektronice: atraktory, bifurkacje, chaos i sterowanie nieliniowe . John Wiley & Synowie. P. 472. ISBN 978-0-780-35383-1 .

[Tarateeraseth-Jan-2010-2] Tarateeraseth, V.; Bo Hu; Kye Yak See; Canavero, FG (styczeń 2010). „Dokładna ekstrakcja impedancji źródła szumu zasilacza SMPS w warunkach roboczych” (PDF) . Transakcje IEEE dotyczące energoelektroniki . 25 (1): 111–117. doi : 10.1109/TPEL.2009.2024675 . S2CID 26273089 .

[Mazzola-2019-3] Mazzola, Enrico; Grassi, Flawia; Amaducci, Alessandro (2019). „Nowa procedura pomiarowa impedancji modalnych zasilaczy impulsowych”. Transakcje IEEE dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej . 62 (4): 1349-1357. doi : 10.1109/TEMC.2019.2941449 . S2CID 208829058 .